Les activités humaines sont responsables de l’apport de nombreux micropolluants vers les systèmes aquatiques parmi lesquels les substances poly- et perfluoroalkylées (PFAS) ont été identifiées. Ces molécules sont utilisées depuis les années 1950 comme tensio-actifs dans de nombreuses applications industrielles et produits d’usage courant. Depuis deux décennies, certaines de ces substances, les acides perfluoroalkylés (PFAA) ont particulièrement attiré l’attention en raison de leur caractère ubiquiste et persistant dans l’environnement. Actuellement, il existe un réel manque de connaissance sur l’intégralité de la contamination environnementale par l’ensemble des PFAS. L’objectif global de ces travaux de thèse est de poursuivre les efforts menés depuis le début des années 2000 pour mieux comprendre la dynamique des PFAS depuis leurs sources en milieu urbain, leurs rejets dans les rivières et leur transfert trophique.La première partie consiste à optimiser une configuration de l’échantillonneur passif POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) pour l’analyse ultra-trace de 25 PFAS dans les eaux de surface. Dans un second temps, il est question d’identifier les sources en PFAS sur la métropole de Bordeaux. L’analyse de 30 PFAS dans les eaux usées collectées en raiseau d’assainissement tend à montrer l’importance des apports industriels par rapport aux rejets domestiques pour la quasi-totalité des PFAS étudiés. A noter que les eaux de ruissellement sont également vectrices de contamination en PFAS. La caractérisation des effluents d’entrée et de sortie des quatre principales stations d’épuration des eaux usées (STEU) de la métropole met en évidence une faible efficacité des filières de traitement. L’utilisation d’une approche d’analyse non ciblée par oxydation, la méthode TOP (Total Oxidizable Precursors) révèle des quantités non négligeables de précurseurs de PFAA aussi bien en réseau d’assainissement que dans les effluents de STEU. L’impact de l’exutoire collectant les eaux de ruissellement en provenance de l’aéroport et d’une portion du périphérique de Bordeaux sur les niveaux en PFAS d’une petite rivière périurbaine est également montré. Enfin, la dernière partie renseigne la bioamplification des PFAS en milieu lotique. L’évaluation des concentrations le long de 5 réseaux trophiques du bassin hydrographique Rhône-Méditerranée permet d’une part de confirmer la bioamplification du perfluorooctane sulfonate (PFOS) et des perfluoroalkyles carboxylates (PFCA) à chaîne longue, et d’autre part d’évaluer la variabilité spatiale des facteurs d’amplification trophique (TMF). Le caractère bioamplifiable de PFAS d’intérêt « plus émergent » tels que les 8:2 et 10:2 fluorotélomères sulfonates est mis en évidence dans une rivière localisée à la périphérie de Paris. L’application de la méthode TOP à différents maillons de cette chaîne trophique permet de soutenir l’hypothèse de l’implication de la biotransformation des précurseurs dans la bioamplification apparente des PFAA. / Human activities are responsible for the release of multiple micropollutants into aquatic systems, such as poly- and perfluoroalkylated substances (PFASs). These molecules have been used since the 1950s as surfactants in many industrial applications and commonly used products. For two decades, some of these substances, perfluoroalkylated acids (PFAA), have generated a major concern due to their ubiquitous and persistent behavior in the environment. Currently, there is a real lack of knowledge about the full extent of environmental contamination by all PFASs. The overall objective of this thesis is to continue the efforts undertaken since the early 2000s to gain a better understanding of the dynamics of PFASs, from their sources in urban areas, their releases to aquatic systems, to their trophic transfer.The first part consisted in optimizing a configuration of the Polar Organic Chemical Integrative Sampler (POCIS) for the ultra-trace analysis of 25 PFASs in surface water. In a second time, the dynamics of the PFASs on the Bordeaux conurbation is studied. The analysis of 30 PFASs in wastewater collected in the sewerage network tends to show the importance of industrial inputs compared to domestic discharges for almost all the studied PFASs. Note that urban runoff is also a source of PFAS contamination. The characterization of the influents and effluents of the four main wastewater treatment plants (WWTP) in the metropolis shows a low efficiency of treatment channels. The use of a non-targeted analysis approach by oxidation, the TOP method (Total Oxidizable Precursors) reveals significant amounts of PFAA precursors in the sewerage network as well as in WWTP effluents. The impact of urban and airport storm water discharge on the contamination levels of a small peri-urban river has also been shown. The last part dealt with the biomagnification of PFASs in lotic systems. The evaluation of PFAS concentrations along 5 food webs from the Rhone-Mediterranean watershed enables to confirm the biomagnification of perfluorooctane sulfonate (PFOS) and long-chain perfluoroalkyl carboxylates (PFCA) and to evaluate the spatial variability of trophic magnification factors (TMF). The biomagnification character of PFASs of "more emerging" interest, such as the 8:2 and 10:2 fluorotelomer sulfonates, is observed in a river located on the outskirts of Paris. The application of the TOP method to different trophic levels supports the hypothesis of the involvement of the biotransformation of precursors in the apparent biomagnification of PFAAs.

Malgré leur distance de la pression industrielle, les milieux marins austraux et antarctiques sont contaminés par des polluants globaux, tels que le mercure (Hg), par le transport atmosphérique et les courants océaniques. Jusqu'à présent, les voies de contamination du Hg dans l'Océan Austral restent peu connues, en particulier dans le secteur Indien, et de nouvelles études sont nécessaires pour élucider son devenir et son impact dans ces régions. Les oiseaux marins, en tant que prédateurs supérieurs des chaînes alimentaires marines, sont exposés à des concentrations élevées de méthylmercure (MeHg) via leur régime alimentaire. De plus, ils présentent des habitats de prédation contrastés dans les différents compartiments marins (en termes spatiaux et de profondeur). Par conséquent, ils sont considérés comme des bioindicateurs efficaces de la contamination par Hg et la bonne connaissance de leurs caractéristiques écologiques permet leur application comme traceurs du Hg dans des environnements éloignés, qui sont autrement difficiles à échantillonner. L'objectif principal de ce travail de doctorat est la caractérisation des voies d'exposition de MeHg accumulé par les oiseaux marins et l'identification des processus impliqués dans le cycle biogéochimique du Hg dans l'Océan Austral (des eaux antarctiques aux eaux subtropicales). L'approche méthodologique proposée consiste à combiner la composition isotopique du Hg et la spéciation du Hg dans les tissus d’espèces d’oiseaux marins de l'Océan Austral choisis précisément. Dans une première étape, une évaluation des signatures isotopiques de Hg spécifique de chaque tissu a été réalisée, notamment dans le sang et les plumes, car ceux-ci peuvent être échantillonnés de manière non létale. Chez les poussins, les deux tissus peuvent être utilisés efficacement et indifféremment comme bioindicateurs de la contamination locale en utilisant des isotopes du Hg, alors que chez les adultes, chaque tissu donne accès à une exposition temporelle différente : le sang à l'échelle récente (c'est-à-dire l'exposition pendant la période de reproduction) et les plumes à l'échelle annuelle, fournissant ainsi des informations isotopiques complémentaires aux différentes étapes du cycle annuel des oiseaux. Une deuxième partie a été axée sur l'exploration des sources de MeHg dans quatre espèces de manchots d’une même zone subantarctique, les îles de Crozet. Les populations ont été discriminées par leurs signatures isotopiques du Hg en fonction de leurs habitats de prédation et leurs mouvements latitudinaux, qui se trouvent être les facteurs principaux déterminant leur exposition à différentes sources de MeHg. Dans une troisième partie, les isotopes du Hg ont été étudiés dans deux modèles d'oiseaux (poussins de labbes et manchots adultes) sur une grande échelle latitudinale de l'Antarctique à la zone subtropicale. Les variations latitudinales des valeurs isotopiques du Hg (δ202Hg, Δ199Hg) semblent être influencées par une différente amplitude des processus photochimiques et d'autres voies biogéochimiques telles que la réduction du Hg, et les processus de méthylation / déméthylation, ainsi que les processus trophiques ou métaboliques. / Despite their distance from industrial pressure, marine southern and Antarctic environments are contaminated by worldwide distributed pollutants, such as mercury (Hg), through atmospheric transport and oceanic currents. So far, Hg contamination pathways in the Southern Ocean remains poorly understood, particularly in the Indian sector, and new studies are required to elucidate its fate and impact in these regions. Seabirds, as top predators of marine food webs, are exposed to elevated concentrations of biomagnified methylmercury (MeHg) via dietary intake and moreover, they forage in the different marine compartments both in spatial and depth terms. Therefore, they are considered as effective bioindicators of Hg environmental contamination and the good knowledge of their ecological characteristics permits their application for tracing Hg in such remote environments otherwise of difficult access. The main objective of this doctoral work is the characterization of the exposure pathways of the MeHg accumulated in model seabirds and the identification of the processes involved in the Hg biogeochemical cycle in the Southern Ocean (from Antarctic to subtropical waters). The proposed methodological approach consisted on the combination of Hg isotopic composition and Hg speciation in tissues of a precise selection of seabirds of the Southern Ocean. In a first step, the evaluation of tissue-specific Hg isotopic signatures was accomplished notably in blood and feathers, as they can be non-lethally sampled. In chicks, both tissues can be effectively and indifferently used for biomonitoring of local contamination using Hg isotopes, whereas in adults each tissue provides access to different temporal exposure : blood at recent scale (i.e. exposure during the breeding period) and feathers at annual scale, thus providing complementary isotopic information at the different stages of seabird annual cycle. A second part was focused on the exploration of MeHg sources in four penguin species within a same subantarctic location, the Crozet Islands. Hg isotopes effectively discriminated the four populations and species-specific foraging habitats and latitudinal movements were found the main factors determining their exposure to distinct environmental MeHg sources. In a third part, Hg isotopes were investigated in two ubiquitous seabird models (skua chicks and penguins) over a large a latitudinal scale from Antarctica to the subtropics. Latitudinal variations of Hg isotopic values (δ202Hg, Δ199Hg) appeared to be influenced by different extent of photochemical processes and other biogeochemical pathways such as Hg reduction, and methylation/demethylation processes, as well as trophic or metabolic processes.

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En raison d’une utilisation croissante et massive, les nanoparticules manufacturées apparaissentcomme de potentiels contaminants émergents pour l’environnement, incluant notammentles écosystèmes aquatiques. Alors que le transfert trophique semble constituer unevoie d’exposition majeure pour les organismes, une connaissance lacunaire dans la littératurescientifique persiste, résultant pour partie des difficultés expérimentales inhérentes àce type d’exposition. Pour ce travail en conditions contrôlées de laboratoire, les nanoparticulesd’or (sphériques, 10 nm, fonctionnalisées aux PEG-amines), stables en solution, ontété choisies pour l’étude du transfert trophique et des impacts toxiques sur des organismesaquatiques. Ce continuum trophique considère la base des réseaux trophiques (biofilms naturels,algues), des niveaux intermédiaires (poissons brouteurs, bivalves suspensivores), jusqu’auxorganismes de haut de chaînes trophiques, avec l’anguille européenne. Avec des expositionsréalisées à de relatives faibles doses, ce travail tend à la représentativité environnementale.Des approches méthodologiques intégratives des niveaux subcellulaire à tissulaire(RT-qPCR, séquençage haut-débit, histologie) ont permis d’évaluer les impacts toxiques.Les résultats indiquent une importante capacité de rétention des nanoparticules par les biofilmsnaturels. À la suite d’une exposition de 21 jours, les dosages d’or révèlent un transfertdes biofilms aux poissons brouteurs, avec une distribution de l’or dans tous les organes. Deplus, ce transfert est associé à une réponse inflammatoire au regard des lésions histologiquesobservés dans les foies, rates et muscles des poissons exposés. Une chaîne alimentaire « naturelle» à trois maillons trophiques, impliquant algues - bivalves - anguilles européennes,atteste d’un transfert significatif jusqu’au poisson prédateur. Enfin, l’analyse du transcriptome,par une approche de séquençage haut-débit, des foies et cerveaux d’anguilles exposéesaux nanoparticules par nourriture enrichie, a permis de mettre en évidence une réponseconjointe à ces deux organes dans des processus biologiques associés au système immunitaireet sa régulation, dont des récepteurs NOD-like impliqués dans l’inflammasome.L’ensemble des résultats expérimentaux interpellent quant aux effets délétères à long-termequ’engendreraient les nanoparticules sur les écosystèmes aquatiques, illustrant par ailleursla propension de ces contaminants à être transférés dans les chaînes trophiques. / Due to an increasing and massive use, engineered nanoparticles are raising as potentialemerging contaminants in the environment, including aquatic ecosystems. While trophictransfer appears to constitute a major exposure route for organisms, scientific literature hasdifficulties to respond to the questions raised to explore the range of the interactions existingbetween nanoparticles and living organisms at different scales from the trophic interactionsto the cellular impacts. This problem is partly due to experimental difficulties inherent tothis exposure type. For this work performed in controlled laboratory conditions, sphericalgold nanoparticles (10 nm, coated with PEG-amines, positively charged) were chosen tostudy the trophic transfer and toxic effects on aquatic organisms. Trophic chains concernedseveral trophic levels (up to three) with a variety of species considered : the basis of thetrophic web with natural biofilms or microalgae, intermediate levels with grazing fish orsuspensivorous bivalves, and up to top food chain organisms, with the European eel, a carnivorousfish.With relatively low doses for exposures, this work tends to represent environmentalconditions. Integrative methodological approaches from subcellular to tissue levels(RT-qPCR, RNA-sequencing, histology) were performed in order to assess toxic impacts.The results indicate a high retention capacity of nanoparticles by natural biofilms. Followinga 21-day exposure, gold quantifications reveal a transfer from biofilms to grazing fish, witha gold distribution in all organs. Moreover, this transfer is associated with an inflammatoryresponse according to the histological lesions observed in the liver, spleen and muscle ofexposed fish. A longer food chain, with three trophic levels involving microalgae - bivalves- European eels, is set up to give a better representation of the complexity of trophic interactionsin the aquatic environment. It shows a significant transfer to the predatory fish.Transcriptomic analyses, using the RNA-sequencing approach, for the liver and the brain ofexposed eels by nanoparticles’ enriched food, highlight a joint response for these two organsin the biological processes associated with the immune system and its regulation, includingNOD-like receptors involved in inflammasome.All the experimental results suggest long-term harmful effects that nanoparticles would generatein aquatic ecosystems, emphasizing the ability of these contaminants to be transferredthroughout trophic chains.

Les biofilms périphytiques, ou périphyton, sont des assemblages de microorganismes colonisant les surfaces d’une variété de substrats de la zone photique des habitats aquatiques. Retrouvés à la base des réseaux trophiques, ils présentent une grande importance écologique. Les microorganismes du périphyton sont maintenus les uns aux autres par une matrice extracellulaire composée de substances exopolymériques endogènes. Cette matrice permet la formation de microenvironnements aux propriétés physicochimiques distinctes du milieu extrapériphytique. En raison de la diversité microbienne qui les compose, de leur capacité à moduler l’environnement immédiat et leur propension à séquestrer puis à transformer les métaux, les biofilms périphytiques représentent des modèles de recherche des plus pertinents d’un point de vue biogéochimique. L’objectif général de la présente thèse est d’étudier le rôle des biofilms périphytiques, de leur matrice extracellulaire et de la matière organique qu’elle contient sur le cycle des métaux, plus particulièrement le mercure. Dans un premier temps, nous avons mené une étude sur la composition organique de la matrice extracellulaire du périphyton de lacs d’environnements non contaminés et sur la mobilité des métaux dans les différentes fractions de cette matrice. Nos résultats ont démontré que la matrice extracellulaire du périphyton était riche en matière organique fluorescente et nous y avons identifié deux composantes majeures d’origine périphytique. Nous avons observé une cooccurrence de certains métaux avec ces composantes dans les fractions mobiles et attachées de la matrice extracellulaire du périphyton. Nous avons constaté que l’une des composantes périphytiques entraînait une diminution des concentrations de métaux dans les cellules du périphyton, alors que l’autre était associée à des concentrations plus élevées de métaux essentiels. Notre étude a montré que la matière organique de la matrice extracellulaire joue un double rôle sur la mobilité des métaux et apporte un regard nouveau sur les mécanismes naturels de gestion des métaux du périphyton. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une étude de terrain dans une rivière altérée par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau et par la création de milieux humides artificiels. Cette étude avait pour objectif de déterminer si le périphyton de ces habitats modifiés pouvait produire du méthylmercure. En combinant des mesures des taux de transformation in situ à des approches génomiques ciblant les gènes hgcAB, responsables de la méthylation du mercure, nous avons démontré que le périphyton des milieux artificiels avait la capacité de produire du méthylmercure. Nous avons mesuré des taux de méthylation positifs et nous avons détecté la présence du gène hgcA dans les communautés périphytiques des milieux humides. Nous avons majoritairement associé le gène hgcA aux bactéries réductrices de fer de la famille des Geobacteraceae. Notre travail a apporté de nouvelles informations sur la méthylation du mercure au sein du périphyton colonisant des rivières ayant subi des transformations d’habitats. Nos résultats ont également permis d'associer cette méthylation aux bactéries réductrices de fer, jusqu’alors rarement considérées comme potentielles méthylatrices dans le périphyton. Finalement, nous avons étudié les impacts de la mise en eau d’une rivière par des centrales hydroélectriques au fil de l’eau sur les dynamiques du mercure en nous attardant au périphyton et aux premiers niveaux des réseaux trophiques. La création de nouveaux habitats aquatiques favorise l’accumulation et la transformation du mercure en plus de fournir des conditions propices à l’établissement et à la croissance du périphyton. Nos résultats ont démontré que le périphyton de ces habitats pouvait accumuler d’importantes concentrations de méthylmercure et qu’il était une voie d’entrée efficace de ce contaminant pour les macroinvertébrés benthiques. Cette étude souligne les rôles clés que joue le périphyton dans le cycle du mercure des écosystèmes aquatiques. Les résultats de la thèse appuient la pertinence de considérer le périphyton comme un compartiment biologique de haute incidence sur les cycles biogéochimiques des métaux lors de l’étude ou de la gestion des écosystèmes aquatiques. / Periphytic biofilms, or periphyton, are collections of microorganisms that colonize the surfaces of a variety of substrates in the photic zone of aquatic habitats. Found at the base of trophic webs, they are of major ecological importance. Periphytic microorganisms are linked to each other by an extracellular matrix composed of endogenous exopolymeric substances. This matrix allows the formation of microenvironments with physicochemical properties distinct from the extraperiphytic environment. Because of their microbial diversity, their ability to modulate the immediate environment and their propensity to sequester and then transform metals, periphytic biofilms represent relevant research models from a biogeochemical perspective. The general objective of this thesis is to study the role of periphytic biofilms, their extracellular matrix and the organic matter they contain on the cycling of metals, more specifically mercury. First, we conducted a study on the organic composition of the periphyton extracellular matrix of lakes from uncontaminated environments and on the mobility of metals in the different fractions of this matrix. Our results showed that extracellular matrix of periphyton was rich in fluorescent dissolved organic matter and we identified two major organic components of periphyton origin. We observed co-occurrence of some metals with these components in the loosely- and tightly-bound fractions of the extracellular matrix. We found that one of the periphytic components resulted in decreased metal concentrations in periphyton cells, whereas the other was associated with higher concentrations of essential metals. Our study showed that the dissolved organic matter of the extracellular matrix plays a dual role on metal mobility and provides new insight into the natural mechanisms of metal management of periphyton in its immediate environment. Second, we conducted a field study in a river impacted by run-of-river hydroelectric power plants and the creation of artificial wetlands. The objective of this study was to determine if the periphyton of these modified habitats could produce methylmercury. By combining measurements of in situ transformation rates with genomic approaches targeting the hgcAB genes, associated with microbial mercury methylation, we demonstrated that the periphyton of the artificial wetlands had the capacity to produce methylmercury. We measured positive vi methylation rates and detected the presence of the hgcA gene in the periphytic communities of the wetland site. We mostly associated the hgcA gene with iron-reducing bacteria of the Geobacteraceae family. Our work provided new information on mercury methylation within periphyton colonizing rivers with altered habitats. Our results also allowed us to associate the methylation of mercury with iron-reducing bacteria, which are rarely considered as potential methylators in periphyton. Finally, we studied the impacts of river impoundment by run-of-river hydroelectric power plants on mercury dynamics by focusing on periphyton and lowertrophic web layers. The creation of new aquatic habitats promotes the accumulation and transformation of mercury and provides conditions for periphyton growth. Our results showed that periphyton in these habitats can accumulate important concentrations of methylmercury and is an efficient gateway to this contaminant for benthic macroinvertebrates. This study highlights the key roles that periphyton plays in the cycling of mercury in aquatic ecosystems. The results of this thesis support the relevance of considering periphyton as a biological compartment of high impact on biogeochemical metal cycles when studying or managing aquatic ecosystems.